【摘要】：光子晶體是由不同介電常數(shù)材料呈周期性分布的人工微納結(jié)構(gòu)。它具有獨特的控制光子的能力,不僅出現(xiàn)了許多新奇的物理現(xiàn)象,如負折射、自準(zhǔn)直、慢光效應(yīng),還可以設(shè)計實現(xiàn)光子晶體光纖、波分復(fù)用器、光開關(guān)、模式轉(zhuǎn)換器、功率分配器、激光器等光子器件。在本論文中,我們深入挖掘光子晶體能帶和缺陷結(jié)構(gòu)的獨特性質(zhì),并探究了光子晶體缺陷結(jié)構(gòu)在光子器件方面的若干應(yīng)用。首先,我們采用平面波展開法,系統(tǒng)研究了銅幣形空氣孔二維三角晶格光子晶體的完全帶隙隨結(jié)構(gòu)參數(shù)變化而改變的規(guī)律。研究表明：銅幣形散射子結(jié)合了兩種類型的光子晶體(空氣孔型和介質(zhì)柱型)有利于獲得更寬的完全帶隙,該光子晶體大完全帶隙對制備工藝上可能引起的材料摻雜和空氣孔半徑的偏離具有一定的穩(wěn)定性。通過對參數(shù)的分組優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)在ε=22.75, R=0.483 um, d=0.195 um, (φ=90°, G=1.3時,完全帶隙的寬度獲得最大值0.1361(△ωα/2πc),帶隙論為33.55%。接下來,我們研究了三端口光子晶體濾波器需要滿足的品質(zhì)因子比值條件和相位條件,以及提高品質(zhì)因子特性的幾種方法,設(shè)計了兩款高性能的光子晶體濾波器。在前文三端口濾波器研究的基礎(chǔ)上,我們利用二維正方晶格介質(zhì)柱型光子晶體(PC),設(shè)計了一款新穎的多信道下路濾波器,該濾波器主要由四個線性漸變型微腔和異質(zhì)結(jié)構(gòu)光子晶體反射器組成。利用平面波展開法(PWE)以及二維時域有限差分法(2D-FDTD),分析了該異質(zhì)結(jié)構(gòu)濾波器的工作機制,并進一步探究了微腔參考面與異質(zhì)結(jié)界面之間距離d對下路效率的影響。研究表明,該異質(zhì)結(jié)反射器可以實現(xiàn)接近100%的反射,大幅度地提高了三端口濾波器的濾波效率。所設(shè)計的多信道濾波器各個通道都能有效地實現(xiàn)下路濾波功能,信道間隔10 nm,濾波效率都在90%以上,透射譜半高寬都在0.54 nm以下,達到較高的品質(zhì)因子特性。該濾波器尺寸大小只有15.15μm×13.91μm,且濾波效率高,對未來光路集成具有好的應(yīng)用前景。我們還研究了光子晶體的偏振無關(guān)波導(dǎo),證實了在三角晶格空氣孔光子晶體波導(dǎo)中能同時支持橫電波(TE)和橫磁波(TM)。采用遺傳算法,找到了一組合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)使得TE導(dǎo)模與TM導(dǎo)模重疊。被優(yōu)化的波導(dǎo)實現(xiàn)了偏振無關(guān)單模傳輸以及達到0.012(△ωα/2πc)的工作帶寬。而且,在大部分頻率范圍內(nèi)導(dǎo)模展示了大帶寬的慢光特性和極低的群速度色散。
[Abstract]:Photonic crystals are artificial nanocrystalline structures with periodic distribution of materials with different dielectric constants. It has a unique ability to control photons. It not only has many novel physical phenomena, such as negative refraction, self-collimation, slow light effect, but also can be designed to realize photonic crystal fiber, wavelength division multiplexer, optical switch, mode converter. Power divider, laser and other photonic devices. In this thesis, we explore the unique properties of photonic crystal band and defect structure, and explore some applications of photonic crystal defect structure in photonic devices. Firstly, the complete band gap of two-dimensional triangular lattice photonic crystal with copper coin-shaped air holes is systematically studied by using the plane wave expansion method. It is shown that the combination of two types of photonic crystals (air holes and dielectric cylinders) is conducive to wider complete bandgap. The large complete band gap of the photonic crystal has a certain stability to the material doping and the deviation of the air pore radius which may be caused by the preparation process. By grouping optimization of parameters, it is found that when 蔚 = 22.75, rn 0.483 um, DX 0.195 um, (蠁 = 90 擄, G ~ (3), the maximum width of complete band gap is 0.1361 (蠅 偽 / 2 蟺 c), gap theory is 33.55). Then, we study the quality factor ratio condition and phase condition of the three-port photonic crystal filter, and several methods to improve the quality factor characteristics. Two high performance photonic crystal filters are designed. Based on the study of three-port filter, we design a novel multi-channel down-path filter using two-dimensional square lattice dielectric cylindrical photonic crystal (PC),. The filter consists of four linear graded microcavities and a heterostructure photonic crystal reflector. Using the plane wave expansion method (PWE) and the two-dimensional finite-difference time-domain (2D-FDTD) method, the working mechanism of the heterostructure filter is analyzed, and the influence of the distance d between the microcavity reference plane and the heterojunction surface on the lower path efficiency is further explored. It is shown that the heterojunction reflector can achieve nearly 100% reflection and greatly improve the filtering efficiency of the three-port filter. Each channel of the designed multi-channel filter can effectively realize the function of down-channel filtering. The filtering efficiency of 10 nm, channel interval is above 90%, and the transmission spectrum half-maximum width is below 0.54 nm, which achieves a high quality factor. The size of the filter is only 15.15 渭 m 脳 13.91 渭 m, and the filter efficiency is high, so it has a good application prospect for the future optical path integration. We also study polarization-independent waveguides of photonic crystals. It is proved that both transverse wave (TE) and transverse magnetic wave (TM). Can be supported in triangular lattice air hole photonic crystal waveguides. Genetic algorithm is used to find a set of suitable structural parameters to make the TE guide mode overlap with the TM guide mode. The optimized waveguide achieves polarization independent single-mode transmission and bandwidth up to 0.012 (蠅 偽 / 2 蟺 c). Moreover, in most frequency ranges, the guided mode exhibits the slow light characteristics of large bandwidth and extremely low group velocity dispersion.
【學(xué)位授予單位】：廣西師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN713;O73

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本文編號：2264602